Agilex 7 FPGA和SoC的基准测试

与同类FPGA相比，Agilex 7 FPGA可为OpenCores公开发布的设计提供超过一个速度等级的内核性能提升。

简 介

本文介绍了一种对Agilex 7 FPGA产品家族的内核性能进行基准测试的方法，旨在清晰地展示相关方法和数据，以便感兴趣的读者可以重新生成和分析这些结果。

背景：FPGA和SoC的基准测试

当前，可编程逻辑行业尚无标准的指标评测方法。为此，使用了严格的内部分析，并广泛地采用了不同的设计组合，以充分了解、量化可编程逻辑产品相比前代产品/行业同类产品的性能。这些设计从不同的细分市场收集而来，包括高性能计算、图像和视频处理、有线和无线通信以及消费类产品等。此外，这些设计还使用了多种实施技术，包括来自行业同类产品的ASIC和FPGA。通过使用广泛的设计套件，致力于确保结果准确无误，且能够代表客户设计与Quartus Prime Software Suite等FPGA设计工具之间的复杂交互。为了使用客户设计，已在转换设计方面投资了大量资源，以便能够与广泛的合成工具和电子设计自动化(EDA)厂商合作。同时还确保功能予以保留，并针对特定FPGA厂商进行了适当的代码优化，这点是必需的，因为开发设计时通常会针对特定FPGA对设计进行优化。

在性能比较方面，采用的是尽力而为法，目的是显示可实现的最佳结果。尽力而为编译方法实验需要比默认按钮(push-button)编译更长的单独编译时间，而且，在该方法中，每项设计需要进行超过一次的编译。

借助这种方法，确定了Agilex 7 FPGA和SoC可提供比7纳米FPGA行业同类产品更高的内核性能，测量指标为在设计套件的每项设计中，针对速度关键型时钟路径所能实现的最大fMAX。

性能差异在13%-25%左右（具体数据取决于不同的设计），大约相当于一个或两个速度等级优势，一个速度等级通常被定义为10%-15%†的性能差异。这些结果有力证明了Agilex 7 FPGA作为最高性能10纳米FPGA产品家族的地位。然而，由于这些结果是专有设计获得的，所以只能就这项分析分享有限的详情，这最终会限制这些信息对可编程逻辑用户的有用性。

通过基于OpenCores的性能比较提高透明度

为了克服在理解可编程逻辑性能方面的挑战，使用已发布的OpenCores(www.opencores.org)设计进行指标评测。OpenCores提供了开源硬件知识产权(IP)内核。这项指标评测旨在帮助可编程逻辑用户：

了解性能评估过程中使用的具体设计，包括这些设计具体到寄存器传输级(RTL)描述的详细信息

自己重新生成分析结果

仔细查看分析结果，以更好地了解Agilex 7 FPGA性能和器件利用率，以及这些性能优势对于特定设计的意义

这项基于OpenCores的分析的范围小于使用的内部分析，因为前者专注于受时间约束的比较。分析并不全面，但分析结果说明了实施相似设计，或实施与设计示例套件所用功能相似的功能设计时，Agilex 7 FPGA相比行业同类器件的相对性能。

OpenCores标记方法

OpenCores设计只使用了目标设备中的一小部分资源，只使用这一小部分资源并非用户的惯例，也达不到他们所期望的目标。此外，随着设备资源逐渐被耗尽，以及设计变得更难以放置和路由，不断增加的利用率通常会对可实现的最高fMAX产生不利影响。为了模拟设备利用率对可编程逻辑性能的影响，OpenCores设计执行了大量编译，而且每次都会在前一次编译的基础上添加更多OpenCores实例。为了增加可编程逻辑设备的设计尺寸，每项OpenCores设计都在FPGA中重复进行了实例化（对同一内核进行多次标记）：

每次标记都并行实施

添加I/O包装程序逻辑以减少更大设计所需的I/O引脚数

内核与包装程序逻辑之间不存在时间关键路径 

包装程序逻辑提供了尽可能少的开销。图1显示了标记过程

图1. 在FPGA中对oc_m1_core设计进行了四次实例化

OpenCores标记和基准测试方法

随着OpenCores设计标记数量增加（因此设计尺寸不断增加），I/O引脚和全局时钟等资源变得有限。为了避免引脚用尽，每个OpenCores设计都包裹在移位寄存器中，以便一个物理引脚能够为内核的所有输入引脚提供信息，以及内核的所有输出引脚都将信息输入到可加载的移位寄存器中。图2和图3分别显示了输入和输出移位寄存器。移位寄存器尺寸取决于I/O引脚数量，移位寄存器的数量取决于FPGA中实施的OpenCores设计数量。

图2. 输入移位寄存器实施

图3. 输出移位寄存器实施

为了避免全局时钟资源耗尽，一个引脚直接为所有OpenCores设计提供全局时钟和重置信号。例如，如果一个内核需要两个时钟（即内核时钟1与内核时钟2）以及一个重置信号，内核时钟1的所有实例由一个引脚提供，内核时钟2的所有实例由另一个不同的引脚提供，重置信号的所有实例由第三个引脚提供。借助该方法，所有OpenCores设计都拥有相同的时钟和重置信号（请参见图4）。

图4. 共享时钟和重置信号的双核实施

在FPGA中，包装程序逻辑将所有OpenCores设计相连接后，为确保包装程序逻辑（即移位寄存器）和OpenCores设计之间不存在关键路径。为了实现这一目标，创建了错误的路径，同时通过为内核时钟和包装程序逻辑时钟设置不同的无关时钟域，消除了时间路径。然后，这些设计工具可将内核和移位寄存器分开优化。在设备和设计工具允许的情况下，对OpenCores设计进行了尽可能多的实例化，且无编译错误。

软件工具、设置与约束

为了开展这项研究，使用了分析时可用的所需FPGA开发工具的最新版本：

Quartus Prime Software Suite版本22.4

把工具安装并运行于Linux64设备之上。这些可编程逻辑工具提供的设置在设计性能、逻辑资源使用、编译时间和内存使用之间进行了折中。需要注意的是，某些设计可能使用特定设置生成最佳结果，但这并不意味着该设置适用于另一项设计。此外，用于指引EDA工具的用户约束可改善结果。即便使用代表客户设计的设计集，指标评测结果也会因软件设计和应用约束的不同而存在显著差异。对于本文介绍的比较，使用了尽力而为的编译模式，并设置了较为严格的时间约束。为了确定每项设计的严格时间约束，对每个OpenCores设计时钟应用了频率约束，以确定每个时钟刚好无法满足的约束。通过不断增加约束直至无法满足，确定了基础约束。然后，通过将基础约束值乘以最少1.3的系数，确定了严格约束。下面部分介绍了为每项设计应用的约束。

结 语

Agilex 7 FPGA家族实现了更高的fMAX值，范围在3%到41%之间，几何平均值为20%。性能优势相当于一到两个速度等级。此外，结果表明，在利用率较高的情况下，Agilex 7 FPGA性能稳定性更好，在这种情况下，Hyperflex 架构能提供更高的性能，让您可以更充分地利用可用逻辑。